海浪能和潮汐能――復合材料的新興市場

     英國的Marine Current Turbines（MCT）公司與AEL有緊密合作，其1.2 MW的SeaGen型潮汐流發(fā)電機安裝在北愛爾蘭的Strangford海灣入口處。AEL為MCT最初的Seaflow發(fā)電機生產(chǎn)直徑達11米的轉(zhuǎn)子，并在英國德文郡的Lynmouth成功運轉(zhuǎn)了幾年；隨后，它們?yōu)榇笮偷腟eaGen生產(chǎn)16米直徑的轉(zhuǎn)子。解決了初始階段的問題（三個葉片由于控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題而斷裂）后，SeaGen現(xiàn)在運轉(zhuǎn)良好，并為電網(wǎng)輸入額定的電量。這些是MCT公司的技術(shù)總監(jiān)Peter Frankel介紹的，他說SeaGen是進入該領(lǐng)域的第一個商業(yè)化規(guī)模的設備，也是安裝在海上的全球最大的旋轉(zhuǎn)機械。
     對于一定的渦輪系統(tǒng)，能量會隨著介質(zhì)密度和體積流速的變化而變化，因此從一定的水速中所得到的能量是從等速風速中獲得的能量的10倍。因此水平軸潮汐流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子葉片相對于風力渦輪機來說要短且粗。SeaGen的16米的轉(zhuǎn)子為相連的發(fā)電機提供足夠的動力，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在14 rpm（標準全流轉(zhuǎn)速）左右時達到峰值功率。因此，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)必須能夠承受該轉(zhuǎn)速下的剪切力、彎曲和扭矩載荷。水中顆粒對葉片的沖擊可能會帶來麻煩，因為發(fā)電機可能會沉到海底，低于轉(zhuǎn)子所在水位，或者漂浮到水面上高于其水位。
        在海洋可再生能源發(fā)展的初級階段，這些公司對于他們的技術(shù)還是比較謙虛的，因此我們可以獲知SeaGen轉(zhuǎn)子的一些結(jié)構(gòu)細節(jié)。每個葉片包括一個中空的碳纖維復合材料箱式龍骨，作為主載荷承載部件；碳纖維加強筋和玻纖復合材料外殼粘結(jié)在該結(jié)構(gòu)上。原來的Seaflow葉片是手工鋪放的，該工藝已被碳纖或玻纖預浸料取代。迄今為止，ACG已成為主要材料的供應商，也提供開發(fā)技術(shù)。ACG的預浸材料包括用于加強筋的中等模量的單向碳纖維，鋪放好的材料在大氣壓下于80℃干燥。整個結(jié)構(gòu)所用樹脂基體均為環(huán)氧樹脂，因此具有良好的力學性能和抗水解性。
    各部件直接成型為最終形狀，脫模后無需加工。葉片涂敷有膠衣和防垢涂層，避免海洋生物的侵蝕。
    葉片根部經(jīng)過了特別的處理，因為水下轉(zhuǎn)子要承受很高的根部彎矩。AEL開發(fā)了一種專有技術(shù)，可以將載荷逐漸從復合材料葉片轉(zhuǎn)移到金屬轉(zhuǎn)子的輪轂和軸上。據(jù)說該專利系統(tǒng)優(yōu)于以前的技術(shù)，生產(chǎn)成本也更低。該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中就帶有這種系統(tǒng)，可對載荷進行光纖監(jiān)控。
    SeaGen的其他復合材料部件包括頂部外殼上的和支撐雙渦輪的橫梁上的GRP整流裝置。接下來，MCT計劃為英國北威爾士郡一個10.5 MW的潮汐流發(fā)電場提供設備。七臺1.5 MW渦輪機的葉片與Seaflow和SeaGen一樣是復合材料的。
    Strangford海峽位于北愛爾蘭Strangford海灣的入口處，廣受潮汐流發(fā)電機生產(chǎn)商的歡迎，他們希望在此證明并展示其技術(shù)。該地區(qū)以環(huán)境惡劣著稱，在春潮期最高的潮汐速度可達10節(jié)（海里/小時）。在該海峽進行實驗的另一種潮汐流系統(tǒng)還有Ocean Flow Energy公司的Evopod。與SeaGen不同，Evopod安裝在固定在海底的樁上，是一種半潛水的漂浮裝置，由固定的浮標保持在一定的位置。Evopod可以很容易地與束縛它的浮標分離，并放到岸上進行維修。
    立式葉片確保裝置可以繞著浮標的旋轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動，因此總是面向水流的。這就無需在每次潮汐來臨時總要反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子葉片的斜度——這是固定渦輪機的一大問題。
    由于Evopod渦輪機位于海平面之下，不受湍流的影響，因此適用于海浪運動更大的潮汐區(qū)域內(nèi)。它還能夠用于流速較低的水域內(nèi)，此時葉片相應的比較大。十分之一大小的1 kW的原型配有1.5米直徑的轉(zhuǎn)子，但這只是一個試驗品，最終的1.5 MW的設備將配備9米長的葉片。下一步將是五分之一大小的原型，如果成功，就會連接到公共電網(wǎng)上。
    據(jù)Ocean Flow公司總經(jīng)理Graeme Mackie介紹，轉(zhuǎn)子葉片將由玻纖增強環(huán)氧復合材料制成，最大型的葉片則有選擇性地采用碳纖維來加固。Mackie正在三家復合材料生產(chǎn)商之間進行選擇，以便確定誰將成為最終的供應商。
    “我們在需要輕質(zhì)、高強度和耐腐蝕性的設備上都采用復合材料，目前主要是在轉(zhuǎn)子上。”他解釋，“非動態(tài)部件采用鋼材。之所以如此選用材料，是因為早先制得的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)在快速的水流中，發(fā)生了嚴重的電腐蝕，比我們預想的要嚴重。”
    十分之一大小的機器采用了一種改進的風力渦輪機葉片。Mackie說，雖然其轉(zhuǎn)動速度比風力渦輪機低得多，但運行狀況良好。未來的完整大小的葉片將進行專門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以適應復合材料的加工工藝。
    纖維增強塑料（FRP）也將用于系統(tǒng)其他部件的制備，包括漂浮元件，F(xiàn)RP可用于制造漂浮結(jié)構(gòu)本身，也可為其他材料提供覆材。          
    搖擺水翼